Ученический проект "Ионы тяжелых металлов"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Усть-Карская средняя общеобразовательная школа»

Конкурс «ВМЕСТЕ МЫ – СИЛА»

Исследовательская работа

«Ионы тяжёлых металлов, растения и организм человека»

Работу выполнил:

Волков Антон

Учащийся 10 класса

МОУ «Усть-Карская СОШ»

Руководитель:

Учитель химии Тарасова О.С.

П. Усть-Карск

2016 г.

Оглавление                                                                                   стр

1.     Введение                                                                                         2-3

2.     Основная часть                                                                              4-11

3.     Заключение                                                                                    12

4.     Источники информации                                                               13

5.     Приложение                                                                                   14-15

Введение

          В.И. Вернадский сказал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой». Хозяйственная деятельность человека губительна для природы [3].

          Мы живём в поселке, где горнодобывающая промышленность – является ведущей деятельностью человека: у нас добывают золото, рекультивируют недра земли, а, как известно, залежи золота сопровождаются залежами тяжелых металлов. Вода, используемая для промывки почвы, спускается в реку Кару, а люди используют эту воду для полива растений, ею употребляют животные. Кроме того, в реку выбрасываются и дизельное топливо, бензин, мазут, так как техника работает именно на этих источниках энергии, а случайный выброс не избежен. Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. С ней поступает от 40 до 80 % ионов тяжелых металлов, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Три года назад на элективном курсе «Металлы в нашей жизни» ребята 9 класса доказали, что вода в реке Кара в период добычи золота содержит ионы меди, цинка, железа, кобальта и другие. На этом же курсе я узнал, что ионы тяжелых металлов губительно влияют на организм человека, поэтому мне и стало интересно, а накапливает ли растение эти ионы, ведь их плоды и зелень мы употребляем в пищу?

       Цель работы:

изучение способности накапливать ионы тяжелых металлов растениями и их влияния на организм растений и человека

 Задачи:

1.     ознакомиться с химическими элементами, относящимися к тяжелым металлам.

2.     провести исследование влияния ионов тяжелых металлов на рост и развитие растений.

3.     Выявить: накапливаются ли ионы тяжелых металлов в растении

4.     Каким образом ионы тяжёлых металлов влияют на организм растений и человека                                                    

Методы исследования:

1.      Определение по научной и справочной литературе основной информации для исследования.

2.     Приготовить раствор, содержащий ионы тяжелых металлов и заложить эксперимент.

3.     Провести наблюдения за растениями.

4.     Определить влияние ионов тяжелых металлов на цвет листьев, длину корня длину корневых волосков, развитие растений.

5.     Провести химический анализ самого растения для определения содержания ионов тяжелых металлов в растении.

Основная часть

Вначале своей работы я хочу рассказать о влияние ионов тяжелых металлов на организм растений и животных.

Тяжелые металлы - биологически активные металлы. Тяжелые металлы относятся к загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Термин "тяжелые металлы", характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в настоящее время значительное распространение. Пристальное внимание тяжелым металлам в окружающей среде стало уделяться, когда выяснилось, что они могут вызывать тяжелые заболевания.

 К тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.  Ионы тяжелых металлов не подвержены биохимическому разложению и могут образовывать летучие газообразные и высокотоксичные металлорганические соединения [1]. 

Коварство тяжелых металлов заключается в том, что они загрязняют экосистему не только быстро, но и незаметно, так как не имеют цвета, запаха, вкуса. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требуется весьма продолжительный период времени при условии полного прекращения их поступления.

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ И ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА [4, 5]

КОБАЛЬТ

Присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных процессах. Способность к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных.  Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

Дефицит кобальта в организме приводит к развитию Мега-лобластической анемии типа Бирмера. Избыток кобальта способствует развитию полицитемии. Это связано с тем, что кобальт регулирует процессы эритропоэза, входит в состав витамина В12, т. е. является антианемическим фактором (цианокобаламин).

МОЛИБДЕН

Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту и стимулирует фиксацию клубень­ковыми бактериями атмосферного азота.

Молибден оказывает положительное влияние не только на бобовые растения, но и на цветную капусту, томаты, сахарную свеклу, лен и др. Растениями-инди­каторами недостатка молибдена могут быть томаты, ко­чанная  капуста,  шпинат, салат, лимоны.

Молибден необходим не только для процесса синтеза белков в растениях, но и для синтеза витамина С и ка­ротина, синтеза и передвижения углеводов, использова­ния фосфора.

У человека молибден тормозит рост костной ткани. В процессе обмена молибден тесно связан с медью, которая корригирует его действие на внутренние органы и кость.

НИКЕЛЬ

Растения в районе никелевых месторождений могут накоплять в себе значительные количества никеля. При этом наблюдаются явления эндемического заболевания растений, например уродливые формы астр, что может быть биологическим и видовым индикатором в поисках никелевых месторождений.

Типичные симптомы повреждающего токсического действия никеля: хлороз, по­явление желтого окрашивания с последующим некрозом, оста­новка роста корней и появления молодых побегов или ростков, деформация частей растения, необычная пятнистость, в некото­рых случаях — гибель всего растения.

Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице.

Никель — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки).

МАРГАНЕЦ

Сред­нее содержание марганца в растениях равно 0,001 %. Марганец служит катализатором процессов дыхания растений, принимает участие в про­цессе фотосинтеза.

При недостатке марганца в почвах возникают заболевания растений, харак­теризующиеся в общем появлением на листьях растений хлоротичных пятен, которые в дальнейшем переходят в очаги некроза (отмирания). Обычно при этом заболева­нии происходит задержка роста растений и их гибель.

У человека при избытке марганца забиваются канальцы нервных клеток. Снижается проводимость нервного импульса, как следствие повышается утомляемость, сонливость, снижается быстрота реакции, работоспособность, появляются головокружение, депрессивные, подавленные состояния.

МЕДЬ

Медь не­обходима для жизнедеятельности растительных организ­мов. Почти вся медь листьев сосредоточена в хлоропластах и тесно связана с процессами фотосинтеза; медь стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения.

Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании и т.д.

При недостатке меди у человека можно наблюдать торможение всасывания железа, угнетение кроветворения, ухудшение деятельности сердечно-сосудистой системы, увеличение риска ишемической болезни сердца, ухудшение состояния костной и соединительной ткани, нарушение минерализации костей, остеопороз, переломы костей и т.д.

При избыточном содержании функциональные расстройства нервной системы (ухудшение памяти, депрессия, бессонница) и многое другое.

ЦИНК

В среднем в растениях обнаруживается 0,0003% цинка. Растения, развивающиеся в условиях недостаточно­сти цинка, бедны хлорофиллом; напротив, листья, бога­тые хлорофиллом, содержат максимальные количества цинка.

Под влиянием цинка происходит увеличение содержа­ния витамина С, каротина, углеводов и белков в ряде ви­дов растений, цинк усиливает рост корневой системы и положительно сказывается на морозоустойчивости, а так­же жаро-, засухо- и солеустойчивости растений. Соедине­ния цинка имеют большое значение для процессов плодо­ношения.

Если у человека нормальный уровень цинка, тогда его иммунная система работает как часы.

Избыток цинка может разбалансировать метаболические равновесия других металлов.

ЖЕЛЕЗО

Содержание железа в растениях невелико, обычно оно составляет сотые доли процента. Железо входит в состав ферментов, катализирующих образование хлорофилла, принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах.

При недостатке железа изменяется не только окраска молодых листьев, но и фотосинтез, рост растений замедляется.

Однако избыток железа (избыточная доза 200мг и выше) вызывает зашлаковывание организма на клеточном уровне, приводит к сидерозу.

СВИНЕЦ

Свинец в растениях не выполняет никаких биологически важных функций и является абсолютным оксидантом.

Токсичность свинца проявляется в задержке прорастания семян и роста, хлорозе, увядании и гибели растений.

Для живых организмов свинец и его соединения относятся к ядам, действующим преимущественно на нервную систему и сердечнососудистую, а также непосредственно на кровь. Токсичное действие свинца связано сего способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах.

БАРИЙ

Барий присутствует во всех органах растений. Биологическая роль его не выявлена, накапливается, но на развитие и рост не влияет. Для животных и человека барий ядовит, поэтому травы, содержащие много бария, вызывают отравление.

Когда содержание тяжелых металлов в организме превышает предельно-допустимые концентрации, начинается их отрицательное воздействие на человека. Помимо прямых последствий в виде отравления, возникают и косвенные – ионы тяжелых металлов засоряют каналы почек и печени, чем снижают способность этих органов к фильтрации. Вследствие этого в организме накапливаются токсины и продукты жизнедеятельности клеток, что приводит к общему ухудшению здоровья человека.

Вся опасность воздействия тяжелых металлов заключается в том, что они остаются в организме человека навсегда. Вывести их можно лишь употребляя белки, содержащиеся в молоке и белых грибах, а также пектин, который можно найти в мармеладе и фруктово-ягодном желе. Очень важным является то, что бы все продукты были получены в экологически чистых районах и не содержали вредных веществ.

Эксперимент

1.     Для опыта я взял огурцы, потому что они мне очень нравятся. Употребляю их в сыром виде, обожаю в салате.

Решили с моим руководителем прорастить семена огурцов, поливая рассаду обычной водой, и 0,1 М раствором нитрата бария, 0,1 М раствором сульфата меди.

Кроме того, купил в магазине свежие огурцы и зная качественные реакции на ионы бария и меди, решил определить, а содержаться ли эти ионы в огурцах?

Опыт № 1

Для эксперимента была приготовлена почва в ящиках (3) и посажено по 8 семян в каждый ящик.

№ 1 – полив обычной водой

№ 2 – раствор сульфата меди (2)

№ 3 – раствор нитрата свинца

Дата	Действия	Наблюдения
01.05	Посев, полив
04.05	Полив	Первыми появились всходы в ящике № 1,2
11.05	Полив	Лучше развиваются растения № 2, слабее № 1, появились первые всходы № 3
14.05	Полив	Хорошо № 2
17.05	Полив	Хорошо № 2, немного отстают № 1, № 3 – слизнет стебель у проростков
21.05	Полив	Ситуация № 1 и 2, прежняя, № 2 – развитие лучше. № 3 – один проросток погиб
25.05	Полив	Ситуация № 1 и 2, прежняя, № 3 – более сильные проростки выглядят неплохо, а вот слабые даже не подросли
29.05	Полив	№ 1 и 2 – ситуация прекрасная, растения развиваются, у растений № 2 стебель толще. № 3 – нижние листья не симметричны, даже немного уродливы, в остальном развитие продолжается. Погибло еще 2 растения, осталось 5.
02.06	Полив	Развитие № 1 и 2 продолжалось точно также как у меня дома, но № 3 мне не нравились – листья с краев стали сохнуть
09.06		№ 1 и 2 развивались, № 3 – площадь засохших листьев стала больше.
12.06		Растения были выкопаны, промыты. Посмотрел корневую систему: у растений № 3 система была развита хуже, поэтому и само растение развивалось хуже.

Далее в жарочном шкафу растения были сожжены и растворены в горячей дистиллированной воде, раствор был отфильтрован и был проведен анализ сухого остатка. Использовал реактивы для ионов меди: раствор нашатырного спирта, для ионов свинца – иодид калия.

Пробирка № 1: раствор, полученный от всходов № 2. Конечно, интенсивно голубого окрашивания я не получил, голубоватый цвет получил.

Пробирка № 2: ( ящик № 3) – желтоватое окрашивание имеет место.

И  я делаю вывод, что растения способно накапливать ионы тяжелых металлов и соответственно вместе с пищей эти ионы попадают в наш организм.

Опыт № 2. С помощью соковыжималки я получил огуречный сок, который мне пришлось фильтровать до тех пор, пока он не стал прозрачным. И этот прозрачный раствор исследовали на наличие тяжелых металлов.

Обнаружение ионов свинца [2]

Качественное определение с родизонатом натрия.

На лист фильтровальной бумаги нанести несколько капель исследуемого раствора   и   добавить   1   каплю   свежеприготовленного   0,2%   раствора родизоната натрия. В присутствии ионов свинца образуется синее пятно или кольцо.  При   добавлении 1 капли   буферного   раствора   синий   цвет превращается в красный. Реакция очень чувствительна: обнаруживаемый минимум 0,1 мкг.

Обнаружение  ионов железа [2].

     Предельно допустимая концентрация общего железа в воде водоемов и питьевой     воде     0,3     мг/л,     лимитирующий     показатель     вредности органолептический.

Общее железо.   

В пробирку помещают  10 мл исследуемого раствора, прибавляют  1  каплю концентрированной азотной кислоты, несколько капель раствора пероксида водорода и примерно 0,5 мл раствора роданида калия. При содержании железа 0,1 мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком - красное.

Железо (II)

Гексацианоферрат (III) калия , в кислой среде (рН ~ 3) образует с катионом Fe~   осадок турнбулевой сини темно-синего цвета:

К 1 мл исследуемой воды добавить 2-3 капли раствора серной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.

Железо (III).

1. Гексацианоферрат (II) калия  в слабокислой среде с катионом Fe   образует темно-синий осадок берлинской лазури: к 1 мл исследуемого раствора  прибавить 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2 капли раствора реактива.

 2. Роданид аммония  или калия KSCN образуют в кислой среде с роданиды железа, окрашенные в кроваво-красный цвет. В зависимости от

концентрации роданид-иона могут образовываться комплексы различного состава:

Fe³⁺+SCM ^-

Fe³⁺ +SCM^-

К 1 мл исследуемого раствора прибавить 2-3 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.

Обнаружение  ионов марганца[2].

ПДК марганца в воде водоемов 0,1 мг/л, лимитирующий показатель вредности органолептический.

Качественное обнаружение.

В колбу помещают 25 мл исследуемой воды, подкисляют несколькими каплями 25%-ной азотной кислоты, прибавляют по каплям 2%-ный раствор нитрата серебра до тех пор, пока продолжается помутнение.     Затем     вводят     0,5     г     персульфата     аммония     или несколько кристалликов диоксида свинца, нагревают до кипения. В присутствии марганца при концентрации 0,1 мг/л и выше появляется бледно-розовая окраска.

  Обнаружение ионов меди[2].

ПДК   меди   в   воде   0,1   мг/л,   лимитирующий   показатель   вредности органолептический.

Качественное обнаружение

Первый способ.

В фарфоровую чашку поместить 3-5 мл исследуемой воды, осторожно выпарить досуха и на периферийную часть пятна нанести каплю концентрированного раствора аммиака. Появление интенсивно синей или фиолетовой окраски свидетельствует о присутствии Cu⁺:

Второй способ.

        5-10 мл исследуемой воды встряхнуть в цилиндре с небольшим количеством (10-20  мг) адсорбента - фторида кальция или талька. Ионы меди (11), находящиеся в воде, адсорбируются на его поверхности. Осадок отделить, осторожно слив воду, поместить на часовое стекло или в углубление на фарфоровой     пластинке.     Рядом     для     сравнения     нанести     каплю дистиллированной воды («холостой опыт»). К испытуемому осадку и воде одновременно прибавить по капле раствора хлорида железа (III) и по капле 0,2 М раствора тиосульфата натрия, перемешать стеклянной палочкой и сравнить скорость обесцвечивания обеих проб. В «холостом опыте» наблюдается медленное обесцвечивание интенсивно окрашенного в фиолетовый цвет комплексного аниона  в присутствии же ионов меди, играющих роль катализатора, фиолетовый раствор обесцвечивается моментально.

Результаты работы показали, что в огуречном растворе  содержатся катионы тяжелых металлов.

Заключение

          Результаты моей работы не утешительны.

Катионы тяжелых металлов способны концентрироваться в организме растений и оказывать губительное действие, даже гибель. Но это не самое страшное.

В нужном количестве катионы металлов необходимы всем живым организмам как растениям, так и животным. Но их недостаток или избыток вызывает различные расстройства, недомогания и вполне серьезные заболевания. И если растение, которое питается водой богатой ионами тяжелых металлов, попадает к нам на стол – вот оно страшное!

Призывать наших односельчан к какой-то бдительности – нет смысла: как использовал человек воду, так он и будет её использовать, а вот иметь очистные сооружения нашему предприятию и многим другим не мешало бы!

Литература

1.     Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1988.

2.     Казаренко В.М. Мягкоступова О.В., Исследовательский практикум.

3.     Крискунов Е. А., Пасечник В. В., Сидорин А. П. Экология учебник для 9-го класса издательский лом "Дрофа" 1995

4.     Химия в школе. - 2007г. - №5 - с.55-62.

5.     Химия в школе. -1998. - № 4 -с.9-13.

Приложения

№ 1

№ 2

№ 3

Краткое описание документа:

Мы живём в поселке, где горнодобывающая промышленность – является ведущей деятельностью человека: у нас добывают золото, рекультивируют недра земли, а, как известно, залежи золота сопровождаются залежами тяжелых металлов. Вода, используемая для промывки почвы, спускается в реку Кару, а люди используют эту воду для полива растений, ею употребляют животные. Кроме того, в реку выбрасываются и дизельное топливо, бензин, мазут, так как техника работает именно на этих источниках энергии, а случайный выброс не избежен. Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. С ней поступает от 40 до 80 % ионов тяжелых металлов, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.